摘 要:針對(duì)現(xiàn)澆混凝土空腹樓蓋技術(shù)新型建筑結(jié)構(gòu)體系的建立,結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì),研究開(kāi)發(fā)出一種將鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)組合的空腔樓蓋,進(jìn)一步改善鋼結(jié)構(gòu)防火、防腐生銹、節(jié)約凈空、裝修方便、保溫、隔熱和隔聲性能,為建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域又提供了一個(gè)嶄新的鋼-混凝土組合空腔樓蓋結(jié)構(gòu)體系。
關(guān)鍵詞: 鋼結(jié)構(gòu); 鋼筋混凝土; 現(xiàn)澆; 鋼-混組合; 空腔樓蓋; 空腹樓蓋; 密肋樓蓋
1. 研究背景
就結(jié)構(gòu)材料而言，目前建筑結(jié)構(gòu)主要有砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的持續(xù)提高，鋼結(jié)構(gòu)得到了迅速發(fā)展，而鋼結(jié)構(gòu)所采用的樓板目前主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板組合樓板?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板組合樓板因?yàn)樽灾卮?，其跨度受到很大限制，因而要求在鋼結(jié)構(gòu)中增加很多次梁；現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板組合樓板均做在鋼梁的上表面，為了保證樓板和鋼梁的共同工作，通常在鋼梁的上翼緣焊接成排的圓柱頭栓釘，增加了施工工序和建造成本，同時(shí)由于樓板做在鋼梁的上表面，樓板不能對(duì)鋼梁的防火和防腐進(jìn)行保護(hù)，還占用了建筑物寶貴的凈空；如采用壓型鋼板組合樓板，壓型鋼板本身的防火和防腐問(wèn)題更加突出，并且給后期裝修增加了難度，多數(shù)情況下，需增加吊頂；此外，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板和壓型鋼板組合樓板因?yàn)椴捎脤?shí)心結(jié)構(gòu)，其保溫、隔熱和隔聲性能也較差。因此，迫切需要研究開(kāi)發(fā)出一種適合鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的跨度大、與鋼梁整體工作性能好、施工方便、能對(duì)鋼梁的的防火和防腐進(jìn)行有效保護(hù)、節(jié)約凈空，裝修方便，并且具有優(yōu)良保溫、隔熱和隔聲性能的樓蓋。
2. 研究目的
研究開(kāi)發(fā)出一種適合鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的跨度大、與鋼梁整體工作性能好、施工方便、能對(duì)鋼梁的的防火和防腐進(jìn)行有效保護(hù)、節(jié)約凈空、裝修方便，并且具有優(yōu)良保溫、隔熱和隔聲性能的鋼-混凝土組合空腔樓蓋。
3. 研究方案
鋼-混凝土組合空腔樓蓋由鋼梁、面板、底板、肋梁和BDF薄壁箱體組成。其構(gòu)造方案如圖1所示。
圖1鋼-混凝土組合空腔樓蓋構(gòu)造圖
1-鋼梁 2-面板 3-肋梁主筋 4-模板 5-BDF薄壁箱體 6-肋梁
7-鋼絲網(wǎng) 8-面板鋼筋 9-箱體凹面 10-箱體孔 11-箱體底板 12-混凝土
鋼梁由上翼緣、腹板和下翼緣組成，腹板上留有供肋梁底部鋼筋和預(yù)埋管線通過(guò)的孔，鋼梁的上翼緣、腹板和下翼緣內(nèi)壁由混凝土包裹；面板為單層雙向配筋的鋼筋混凝土板；底板為鋼絲網(wǎng)混凝土板；肋梁為上、下部均配筋的鋼筋混凝土梁，上部鋼筋通過(guò)鋼梁上翼緣，下部鋼筋通過(guò)鋼梁腹板，縱、橫向肋梁鋼筋骨架交叉形成安放BDF薄壁箱體的網(wǎng)格； 薄壁箱體由底板、框體和頂蓋構(gòu)成，底板外表面至少有兩個(gè)弧型凸起，底板與頂蓋上開(kāi)有相對(duì)應(yīng)的孔，底板上的孔設(shè)置在其表面弧形之間的凹處，底板與頂蓋的孔通過(guò)封閉貫穿通道連接，薄壁箱體和貫穿通道為整體密封，底板圓弧的高度小于樓蓋底板的厚度并小于18mm。薄壁箱體的底板與樓蓋模板間設(shè)置鋼絲網(wǎng)或玻璃纖維布，底板弧型凸起與樓蓋模板間隙滲入足量的混凝土砂漿，將底板與鋼絲網(wǎng)或玻璃纖維布澆注為一體，形成樓蓋底板。薄壁箱體采用特種水泥砂漿制成，在特種水泥砂漿中間加玻璃纖維絲或纖維布。薄壁箱體貫穿通道中間直徑相等，兩端與頂蓋、底板上的孔相接的地方至少有一端放大成喇叭口狀，如圖2所示。
鋼-混凝土組合空腔樓蓋是在鋼梁的腹板中預(yù)留密肋梁下部鋼筋和預(yù)埋管線通過(guò)孔。將鋼梁的上翼緣板、腹板、下翼緣板內(nèi)壁澆注在樓蓋內(nèi)，使得鋼梁腹腔混凝土與整個(gè)樓蓋混凝土成為一個(gè)整體，增強(qiáng)了鋼梁的鋼度，鋼梁的上翼緣板、腹板、下翼緣板內(nèi)壁封閉在樓蓋內(nèi)，可不用涂抹防火材料，達(dá)到結(jié)構(gòu)安全可靠和節(jié)省成本和的目的; 薄壁箱體底板采用至少兩個(gè)弧形凸起可以使混凝土砂漿完全滲入薄壁箱體與樓蓋模板之間，保持薄壁箱體的
穩(wěn)定性及樓蓋下表面的光滑，通過(guò)薄壁箱體中間的貫穿孔，可以方便有效的將混凝土砂漿從頂蓋上一
圖2 BDF薄壁箱體(鋼-混凝土組合空腔樓蓋技術(shù))
直灌到底板與樓蓋下層之間，消除了現(xiàn)有技術(shù)中的薄壁箱體中間混凝土砂漿不能完全灌入的問(wèn)題，利用薄壁箱體里的支撐物，可以提高薄壁箱體抗頂壓和側(cè)壓的能力，整個(gè)薄壁箱體除了貫穿通道孔外都是密封的，這樣可以防止混凝土砂漿從縫隙中進(jìn)入，避免增加整個(gè)樓蓋的重量。薄壁箱體中間貫穿通道與頂蓋和底板孔洞相接的地方做成喇叭狀，這樣就增大了薄壁箱體貫穿通道與混凝土砂漿的接觸，對(duì)樓蓋上層的沖壓和下層的應(yīng)力都產(chǎn)生很大效果，薄壁箱體的頂蓋采用弧形凸起可以適當(dāng)?shù)姆纸庹麄€(gè)薄壁箱體的受力面積。
鋼-混凝土組合空腔樓蓋，減少混凝土用量達(dá)到重量輕、結(jié)構(gòu)合理、提高整體防裂縫和抗地震的效果，其成孔用的薄壁箱體是利用模具能夠在最短的時(shí)間內(nèi)制造出來(lái)，且在其半凝固時(shí)就將頂蓋或側(cè)板與框體或長(zhǎng)方體模合在一起，節(jié)省了時(shí)間，取消了現(xiàn)有技術(shù)中涂粘接劑和另加疊合層的手續(xù)。用上述薄壁箱體現(xiàn)場(chǎng)澆注的樓蓋底面光滑，只需簡(jiǎn)單裝修即可使用，有些特殊工程還免除了現(xiàn)有技術(shù)需要抹灰和裝飾填空的手續(xù)。
4. 鋼-混凝土組合空腔樓蓋的計(jì)算原則和構(gòu)造要求
鋼-混凝土組合空腔樓蓋是在密肋樓蓋的基礎(chǔ)上，將樓蓋底板采取新工藝形成封閉空腔樓蓋，一般用于跨度較大的情況，采用“工字形”鋼梁和鋼筋混凝土空腔密肋樓板實(shí)現(xiàn)該樓蓋?？煞譃閱蜗蛎芾邩巧w和雙向密肋樓蓋兩種。當(dāng)建筑的柱網(wǎng)為方形或接近方形（長(zhǎng)寬比小于1.5倍）時(shí)，可采用雙向空腔密肋樓蓋?？涨幻芾邩巧w的柱距一般不宜大于15m；肋梁的間距一般為0.65～1.2m，常采用1.0m；肋梁的高度通過(guò)計(jì)算確定，可取跨度的1/35～1/45，肋梁的寬度為0.1～0.2m，當(dāng)柱距較小時(shí)，肋梁的間距和高度可相應(yīng)減小?？涨幻芾邩巧w網(wǎng)格為定型規(guī)格合模尺寸，確定密肋網(wǎng)格布置及選用密肋的截面尺寸時(shí)必須考慮箱體的規(guī)格尺寸，宜于合模。
1）計(jì)算原則：空腔密肋樓蓋設(shè)計(jì)計(jì)算可參考普通密肋樓蓋的計(jì)算原則。
2）構(gòu)造要求：面板中應(yīng)配置雙向鋼筋網(wǎng)，每個(gè)方向按樓面板全截面計(jì)算的配筋率不宜小于0.15 ％，鋼筋直徑不宜小于6mm，鋼筋間距不宜大于250mm。在柱頂托板所在的肋網(wǎng)格內(nèi)，其頂面宜附加加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片；在肋梁中，配有負(fù)彎矩鋼筋的區(qū)段（包括托板的范圍內(nèi)）因配置封閉的箍筋，在正彎矩區(qū)段可配置開(kāi)口箍筋；正彎矩作用時(shí)肋梁按T形截面計(jì)算，負(fù)彎矩作用時(shí)肋梁按寬度等于肋梁底部寬度的矩形截面計(jì)算； 僅當(dāng)采用分離式配筋時(shí)，其正彎矩鋼筋宜全部伸入支座。樓蓋主肋梁的鋼筋延伸長(zhǎng)度應(yīng)按其彎矩包絡(luò)圖或梁的構(gòu)造規(guī)定確定。
5. 鋼-混凝土組合空腔樓蓋的施工
參見(jiàn)圖1，當(dāng)樓房的鋼柱、鋼梁框架建好后，在建造樓蓋時(shí)，在鋼梁1的左右側(cè)面鋪設(shè)樓蓋模板4，然后在樓蓋模板4上再鋪上一層鋼絲網(wǎng)，再將按設(shè)計(jì)圖紙布置的肋梁6下部鋼筋3，從型鋼1腹板的預(yù)留孔中穿過(guò)，過(guò)長(zhǎng)的鋼筋可以采用現(xiàn)場(chǎng)焊接的方式安裝連接，肋梁6的上部鋼筋從型鋼1上翼緣上部通過(guò)，最后縱橫肋梁6形成安放薄壁箱體的網(wǎng)格，然后在網(wǎng)格中安放薄壁箱體，帶多弧面的薄壁箱體底板11安置在樓蓋模板4上面的鋼絲網(wǎng)上，再鋪設(shè)空腔樓蓋上翼緣板8的構(gòu)造鋼筋，同時(shí)將型鋼1下翼緣邊緣至樓蓋底模板4處搭建一個(gè)斜支撐面，以增大型鋼與鋼筋混凝土的接觸面，將預(yù)留預(yù)埋管通過(guò)腹板的預(yù)制孔洞和接線盒放置在肋梁6鋼筋骨架中，用混凝土布料機(jī)在肋梁6中鋪一層稀釋混凝土砂漿，讓稀釋混凝土砂漿滲入到薄壁箱體底部，在建筑震動(dòng)棒的強(qiáng)烈震動(dòng)下，使混凝土砂漿從薄壁箱體的四周外沿灌入到底板11并向底板中心連通管道9流動(dòng)，底板弧型凸起的高度小于樓蓋下翼緣板5的厚度且小于18毫米，為防止底板11與建筑模板4之間的混凝土砂漿不密實(shí)，可從薄壁箱體的連通管道9中注入混凝土砂漿，同時(shí)將建筑震動(dòng)棒垂直插入連通管道9中強(qiáng)烈震動(dòng)10秒鐘，讓混凝土砂漿再向四周擴(kuò)散，混凝土砂漿在建筑震動(dòng)棒的作用下，緊密結(jié)合形成樓蓋下翼緣板5，隨后將批量混凝土砂漿泵入樓蓋上翼緣板8鋼筋2和肋梁6框架中，再用建筑震動(dòng)棒器震動(dòng)薄壁箱體預(yù)留孔洞的混凝土,密實(shí)由多個(gè)薄壁箱體形成的空心層和上翼緣板8，最后將上翼緣板8表面水平找平。為防止薄壁箱體在澆注時(shí)浮起，必須進(jìn)行抗浮處理，樓蓋在現(xiàn)澆時(shí)將肋梁6用鐵絲穿入模板與樓蓋模板4下面的腳手架固定在一起，混凝土凝固后拆掉樓蓋模板4后實(shí)現(xiàn)鋼-混凝土組合空腔樓蓋。詳細(xì)施工方法見(jiàn)《鋼-混凝土組合空腔樓蓋施工工法》。施工照片見(jiàn)圖3～圖6。
圖3支模板圖 圖4肋梁鋼筋和薄壁箱體安裝
圖5面板鋼筋安裝 圖6 拆模后效果
6. 鋼-混凝土組合空腔樓蓋的受力性能試驗(yàn)。
詳見(jiàn)《鋼-混凝土組合空腔樓蓋受力性能試驗(yàn)研究報(bào)告》
鋼-混凝土組合空腔樓蓋受力性能試驗(yàn)結(jié)果表明：
1）鋼－混凝土組合空腔樓蓋在使用荷載下具有良好的工作性能，在第9級(jí)荷載之前（916.2kg/㎡）,沒(méi)有出現(xiàn)裂縫；即使在很大的試驗(yàn)荷載下，箱體下滿布的鋼絲網(wǎng)可使樓蓋僅產(chǎn)生細(xì)而密的裂縫，樓蓋中央的變形只有21mm。
2）鋼－混凝土組合空腔樓蓋具有很高的承載能力，在第28級(jí)荷載（板中荷載3830.0kg/㎡，板邊荷載951.0kg/㎡）下,僅跨中部分肋梁底部鋼筋才屈服；
3）鋼－混凝土組合空腔樓蓋中鋼梁與混凝土樓板具有良好的共同工作性能，在第28級(jí)荷載（板中荷載3830.0kg/㎡，板邊荷載951.0kg/㎡）下，鋼梁與混凝土樓板未發(fā)現(xiàn)脫離現(xiàn)象；肋梁每隔一定距離（本試驗(yàn)為1m）給鋼梁提供側(cè)向支撐點(diǎn)，能有效地提高鋼梁的穩(wěn)定承載力。
4）鋼－混凝土組合空腔樓蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算可按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）進(jìn)行，按試驗(yàn)采用的構(gòu)造措施可滿足鋼－混凝土組合空腔樓蓋正常使用和承載能力要求。
5）鋼－混凝土組合空腔樓蓋按《鋼－混凝土組合空腔樓蓋施工工法》（另提供）組織施工可達(dá)到一次澆注成型的目的。
6）四種鋼梁的構(gòu)造方式均能滿足滿足鋼－混凝土組合空腔樓蓋正常使用和承載能力要求，建議采用第二、三種方式，既可有效解決鋼梁的防腐、防火問(wèn)題，有能獲得較好的結(jié)構(gòu)外觀。
7. 性能特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益
1）防火性能好；“工字形”鋼梁用混凝土包裹，可無(wú)需要凃防火凃料。減小了消防隱患：傳統(tǒng)的型鋼結(jié)構(gòu)因設(shè)明次梁和壓型鋼板，需要進(jìn)行裝飾，裝飾材料本應(yīng)要求做防火處理，據(jù)了解民用建筑裝飾幾乎均未采用防火裝飾材料，帶來(lái)了消防隱患，因該結(jié)構(gòu)去掉次梁和壓型鋼板無(wú)需進(jìn)行裝飾。
2）防銹；去掉了壓型鋼板生銹的因素。
3） 增加了空間；將樓蓋厚度由130mm降低為40mm，毎層節(jié)約高度90mm，若40層高樓可多建一層。
4） 減輕主樓基礎(chǔ)荷戴；由于樓蓋厚度由130mm降低為40mm后含密筋梁總的折算厚度為105mm，恒載減輕10%；
5） 樓蓋光滑平整：去掉壓型鋼板和工字型次梁，在一個(gè)網(wǎng)柱內(nèi)樓蓋底層光滑平整,不需要被動(dòng)裝飾。
6） 保溫隔音效果好：樓蓋中埋入了箱體，當(dāng)樓面因沖擊發(fā)出的聲音，受到密封箱體空氣介質(zhì)的作用，削減聲波能量影響，底樓層不受上樓層因震動(dòng)和撞擊發(fā)出聲音的影響。
7） 抗震性能好：采用在腹板成孔貫通肋梁底部鋼筋技術(shù)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，提高了抗震能力。
8） 刻服板的位移：“工字形”鋼梁用混凝土包裹，刻服了現(xiàn)澆的鋼筋混凝土在型鋼上翼緣接觸面小，防止位移需焊接圓柱頭栓定位，
9） 綜合建價(jià)降低：毎平米綜合造價(jià)降低約130元：
10） 符合我國(guó)建設(shè)采用“新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備”和“節(jié)能省地型”建筑的要求
總之：經(jīng)過(guò)上述分析研究總結(jié)，“ 現(xiàn)澆型鋼混凝土組合空腔樓蓋”項(xiàng)目，符合國(guó)家建設(shè)宏觀政策，該項(xiàng)目發(fā)展?jié)摿艽?，已?jīng)形成較好的創(chuàng)新技術(shù)效應(yīng)，項(xiàng)目已促進(jìn)建筑科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，將成為一種嶄新的建筑結(jié)構(gòu)體系，該項(xiàng)目同時(shí)能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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